Hvordan man tvinger fotoner til aldrig at hoppe tilbage

Topologiske isolatorer er materialer, hvis struktur tvinger fotoner og elektroner til kun at bevæge sig langs materialets grænse og kun i én retning. Disse partikler oplever lidt modstand og bevæger sig frit forbi forhindringer såsom urenheder, fabrikationsfejl, en ændring af signalets bane i et kredsløb, eller genstande placeret med vilje i partiklernes vej. Det er fordi disse partikler, i stedet for at blive reflekteret af forhindringen, gå rundt om det "som flodvand, der flyder forbi en klippe, " siger prof. Romain Fleury, leder af EPFL's Laboratory of Wave Engineering, inden for Ingeniørskolen.

Indtil nu, disse partiklers exceptionelle modstandsdygtighed over for forhindringer, der kun anvendes på begrænsede forstyrrelser i materialet, hvilket betyder, at denne egenskab ikke kunne udnyttes bredt i fotonik-baserede applikationer. Imidlertid, det kunne snart ændre sig takket være forskning udført af prof. Fleury sammen med hans ph.d. studerende Zhe Zhang og Pierre Delplace fra ENS Lyon Physics Laboratory. Deres studie, optræder i journalen Natur , introducerer en topologisk isolator, hvor transmissionen af ​​mikrobølgefotoner kan overleve hidtil usete niveauer af uorden.

"Vi var i stand til at skabe en sjælden topologisk fase, der kan karakteriseres som en anomal topologisk isolator. Denne fase opstår fra de matematiske egenskaber af enhedsgrupper og giver materialet unikke - og uventede - transmissionsegenskaber, " siger Zhang.

Denne opdagelse rummer store løfter om nye fremskridt inden for videnskab og teknologi. "Når ingeniører designer hyperfrekvenskredsløb, de skal være meget omhyggelige med at sikre, at bølger ikke reflekteres, men snarere ledes langs en given vej og gennem en række komponenter. Det er det første, jeg lærer mine elektroingeniørstuderende, " siger prof. Fleury. "Denne iboende begrænsning, kendt som impedanstilpasning, begrænser vores evne til at manipulere bølgesignaler. Imidlertid, med vores opdagelse, vi kan tage en helt anden tilgang, ved at bruge topologi til at bygge kredsløb og enheder uden at skulle bekymre sig om impedanstilpasning - en faktor, der i øjeblikket begrænser omfanget af moderne teknologi."

Prof. Fleurys laboratorium arbejder nu på konkrete applikationer til deres nye topologiske isolator. "Disse typer topologiske kredsløb kan være yderst nyttige til udvikling af næste generations kommunikationssystemer, " siger han. "Sådanne systemer kræver kredsløb, der er yderst pålidelige og let rekonfigurerbare." Hans forskergruppe ser også på, hvordan opdagelsen kan bruges til at udvikle nye slags fotoniske processorer og kvantecomputere.